磁放大器穩(wěn)壓器中控制電感的設(shè)計(jì)

1、磁放大器穩(wěn)壓器中控制電感的設(shè)計(jì) 張希斌1，余大武2 (1山西平陽(yáng)機(jī)械廠，山西侯馬043002）(2西安三聯(lián)電源設(shè)備有限公司，陜西西安710075)摘要：介紹了磁放大器穩(wěn)壓器的工作原理，推導(dǎo)了其中控制電感的設(shè)計(jì)方法，并給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。關(guān)鍵詞：磁放大器穩(wěn)壓器；控制電感；復(fù)位1引言 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的供電電源越來(lái)越復(fù)雜：供電電源的電壓路數(shù)增多；每一路電壓的穩(wěn)壓精度要求越來(lái)越高。一般的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，只有一個(gè)次級(jí)輸出電壓是通過(guò)初級(jí)電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)的，其它的次級(jí)輸出電壓都保持開(kāi)環(huán)狀態(tài)。這些輸出電壓的動(dòng)態(tài)特性由負(fù)載以及初級(jí)輸入電壓所決定。要控制彼此獨(dú)立的、不同的各路

2、輸出電壓，就要運(yùn)用不同的調(diào)節(jié)原理。高頻磁放大器穩(wěn)壓器以其低成本、高效率、高穩(wěn)壓精度而又可靠的解決方案，在多路輸出的穩(wěn)壓電源中得到了廣泛應(yīng)用。目前的高頻磁放大器穩(wěn)壓器的輸出功率范圍介于20W到1500W，輸出電流范圍介于1A到30A，輸出電壓可低到33V，29V，完全可適應(yīng)現(xiàn)在低工作電壓的半導(dǎo)體器件的需要。2高頻磁放大器穩(wěn)壓器工作原理 磁放大器穩(wěn)壓器是通過(guò)調(diào)節(jié)主變壓器次級(jí)側(cè)的脈沖寬度來(lái)達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。一個(gè)典型的正激變換器的二次側(cè)磁放大器穩(wěn)壓器的原理圖如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，磁放大器穩(wěn)壓器中的關(guān)鍵部件是控制電感L和復(fù)位控制電路。控制電感是由具有矩形BH回線的磁芯及其上的一個(gè)繞組組成。

3、該繞組兼起工作繞組和控制繞組的作用。磁芯的工作點(diǎn)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)磁芯工作于點(diǎn)時(shí)，磁芯飽和，控制電感的阻抗|Z|接近于0，控制電感器相當(dāng)于短路。當(dāng)磁芯工作于點(diǎn)時(shí)，磁芯處于復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位（Reset）是指磁通到達(dá)飽和后的去磁過(guò)程，使磁通或磁密回到原來(lái)工作點(diǎn)的數(shù)值，稱為磁通復(fù)位。由于磁放大器穩(wěn)壓器所用磁芯材料的特點(diǎn)（良好的矩形BH回線及高的磁導(dǎo)率）以及開(kāi)關(guān)電源工作于高頻（100kHz左右），使得此時(shí)的控制電感對(duì)輸入脈沖呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于控制電感開(kāi)路。實(shí)際上，飽和和復(fù)位時(shí)控制電感的阻抗可達(dá)到34個(gè)數(shù)量級(jí)的快速變化。圖3示出了當(dāng)磁芯材料為鈷基非晶態(tài)合金時(shí)，繞組電感L隨直流控制電流Ide的變動(dòng)而

4、變化的特性。因此，控制電感相當(dāng)于一只“可控磁開(kāi)關(guān)”，其輸入脈沖電壓由開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器副邊供給，正半周脈沖前沿時(shí)間由初級(jí)主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間決定，脈沖幅值為u1。正半周期D1，D3截止，D2正偏，能量經(jīng)過(guò)控制電感L1傳輸給負(fù)載，負(fù)半周期D2截止，復(fù)位電壓（也是控制電壓）Uc使D1導(dǎo)通，磁芯去磁。圖4表示了穩(wěn)壓器的工作情況。假定輸出電壓UO1為3V，輸入脈沖幅值u1為10V，占空比為50，脈沖周期為20s。設(shè)在t=0時(shí)刻以前，由于控制電感L1飽和，u3為10V；在t=0時(shí)，u1變負(fù)，設(shè) Uc=6V，前半周期010s內(nèi)，u1一直保持10V，在這一段時(shí)間內(nèi)，控制電感一直處于復(fù)位區(qū)?，其特性可用?的面積SA

5、（伏秒積數(shù)）表示：SA=4×10=40Vs在這一段時(shí)間內(nèi)，控制電感L1作為一個(gè)高阻抗的電感，阻止電流流過(guò)它，保持u2=0，直到t=10s時(shí)。當(dāng)t=10s時(shí)，u1變?yōu)?0V，使控制電感進(jìn)入飽和狀態(tài)區(qū)?。這一時(shí)間間隔為4s，它與10V的乘積SB等于SA，即：SB=10×4=40Vs因此有UO1=u1Ton/T=10×(6/20)=3V（DC）圖1電路的各點(diǎn)波形如圖5所示。3磁放大控制電感的設(shè)計(jì) 磁放大器穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)包括控制電感的設(shè)計(jì)和控制電路的設(shè)計(jì)，本文只給出控制電流（復(fù)位電流）的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，控制電路的拓?fù)溥x擇及詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)123?？刂齐?/p>

6、感的設(shè)計(jì)是根據(jù)穩(wěn)壓器的外部要求，求出合適的磁芯型號(hào)及繞組參數(shù)。本文的設(shè)計(jì)計(jì)算以VITROVAC6025Z磁芯為基礎(chǔ)進(jìn)行。VITROVAC6025Z環(huán)形磁芯采用德國(guó)VAC公司為高頻磁放大器穩(wěn)壓器的控制電感研制的專用帶狀非晶共基合金材料，由環(huán)形帶繞制的磁芯加有塑料保持外罩，可在其上直接繞線。VITROVAC6025Z磁芯的典型磁特性和型號(hào)分別如表1和表2所示。 在控制電感的設(shè)計(jì)中，一般給定的條件有：電路拓?fù)洌簡(jiǎn)味苏な交蛲仆焓剑ê霕?、全橋式）；輸出電壓U1；主電路壓降；輸出有或沒(méi)有短路保護(hù)。設(shè)計(jì)結(jié)果：磁芯有效截面積AFe，選定磁芯型號(hào)；繞組匝數(shù)N；銅線直徑dcu；纏繞面積Acu。設(shè)計(jì)過(guò)程要予以考

7、慮的因素：磁放大器控制電路的壓降（即控制電感上的壓降）UReg；磁芯損耗（鐵損PFe）；銅損耗PCu；控制電感的最大死區(qū)。根據(jù)上面的提示，一般的設(shè)計(jì)步驟如下：1）決定線匝銅線的尺寸由輸出電流的大小決定，一般選電流密度為J4A/mm2；2）計(jì)算控制電感的控制電壓UReg。對(duì)于無(wú)短路保護(hù)的電路：UReg=×Dmax×UminUO1(1)式中：UO1要求的輸出電壓(V)；Umin次級(jí)繞組電壓幅值的最小值（V）；Dmax初級(jí)開(kāi)關(guān)管占空比的最大值；系數(shù)，對(duì)單端正激變換器=1，對(duì)推挽式變換器（含半橋、全橋）=2。對(duì)于有短路保護(hù)要求的電路，則有： UReg=×Dmax×

8、;Umin(2) （請(qǐng)讀者注意，磁放大器穩(wěn)壓器不適用于反激式變換器）。 3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從表2中選一種磁芯型號(hào)，查找AFe等參數(shù)磁芯的選擇一般從小到大，直到所要求的匝數(shù)很容易纏滿磁芯一層為止。 4）計(jì)算所需的匝數(shù)N式中：f次級(jí)輸出方波的頻率（kHz）；yes">      B雙極磁通密度，取0.8T； K雙極磁通密度B的校正因子，用于限制由于磁芯損耗引起的溫升。 圖6示出了VITROVAC6025Z中相關(guān)型號(hào)校正因子K的相關(guān)曲線。 5）磁芯及銅損耗計(jì)算 磁芯損耗PFe（近似值）式中：Rth對(duì)流的空芯繞組的熱阻（K/W）；mFe磁芯

9、質(zhì)量（kg）。銅損耗PCu（近似值，未考慮趨膚及鄰近效應(yīng)）式中：LFe磁芯的平均磁路長(zhǎng)度（cm）； Hs復(fù)位場(chǎng)強(qiáng)（mA/cm）。7）Umin及N的精確調(diào)整 在式（1）、式（2）中，Umin是作為已知參數(shù)給出的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，主變壓器和控制電感要同時(shí)設(shè)計(jì)，這時(shí)可將兩者結(jié)合進(jìn)行，這就要用到下面的遞歸過(guò)程，同時(shí)得到Umin及控制電感的最佳參數(shù)。 遞歸時(shí)采用的電路拓?fù)鋮?shù)如圖7所示。  遞歸流程圖如圖8所示。 4設(shè)計(jì)實(shí)例 給定條件單向正激變換器，次級(jí)繞組輸出電壓幅值Umin=12V，開(kāi)關(guān)頻率f=150kHz，初級(jí)占空比Dmax=0.5，輸出電流I1=10A，UO1=3.3V

10、。 在下面的計(jì)算中，采用SI單位制，為了計(jì)算方便，將其中的基本單位m改為cm。1）所要求的每條線的截面積計(jì)算S（J取4A/mm2） 無(wú)短路保護(hù)S=10/4=2.5mm2； 有短路保護(hù)S=10/4=2.5mm2。 2）磁放大器控制電感電壓計(jì)算 無(wú)短路保護(hù)UReg=×Dmax×UminUO1=1×0.5×123.3=2.7V； 有短路保護(hù)UReg=×Dmax×Umin=1×0.5×12=6V。 3）繞組匝數(shù)計(jì)算第一次計(jì)算 無(wú)短路保護(hù)選用磁芯T60006E4008W462d1×d2×h1=8mm

11、15;4.6mm×4mm AFe=0.054cm2 LFe=1.98cm K=1 最小匝數(shù)根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為2mm2，因此不可能纏繞面積25mm2的銅線5匝。 有短路保護(hù)選用磁芯T60006E4012W535d1×d2×h1=12.5mm×10mm×5mm AFe=0.05cm2 LFe=3.53cm K=1 最小匝數(shù) 根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為14mm2，因此不可能纏繞面積2.5mm2的銅線10匝。 第二次計(jì)算無(wú)短路保護(hù)選用磁芯T60006E4012W535d1×d2×h1=1

12、2.5mm×10mm×5mm AFe=0.05cm2 LFe=3.53cm K=1 最小匝數(shù)根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為14mm2，可以使用此磁芯開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試。 有短路保護(hù)選用磁芯T60006E4017W537d1×d2×h1=17.5mm×12.5mm×6mm AFe=0.12cm2 LFe=4.71cm K=0.6 最小匝數(shù) 根據(jù)表2，所適用的銅線纏繞面積Acu約為23.1mm2，可以使用此磁芯開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試。 4）所需控制電流計(jì)算5結(jié)語(yǔ) 高頻磁放大器穩(wěn)壓器中，采用飽和電感作為調(diào)控元件，由于它的非線性特性，再加上主變壓器次級(jí)繞組，兩個(gè)磁性元件互相牽制，使穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)增加了難度。工程實(shí)際中，設(shè)計(jì)出的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)實(shí)際電路的調(diào)試，下面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)者會(huì)有幫助。 如果UO1開(kāi)路或短路狀態(tài)時(shí)，磁放大器控制電感太熱，那么過(guò)熱的原因是鐵磁損耗，解決的辦法是加大磁芯截面積AFe或增加匝數(shù)N。 如果在UO1滿載工作時(shí)，磁放大器控制電感過(guò)熱，那么過(guò)熱的原因是銅損太高。解決的辦法是增加銅線直徑或選用更大纏繞面積和Acu的磁芯。主變壓器次級(jí)電壓過(guò)高會(huì)引起過(guò)高的滿載工作損耗。這時(shí)最好采用圖8的遞歸過(guò)程對(duì)主變壓器及控制電感進(jìn)行優(yōu)化。參考文獻(xiàn)1路